CN113927573B - 一种基于运动放大原理的运动执行机构及机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于运动放大原理的运动执行机构及机器人，涉及机构学技术领域，解决了现有多自由度运动机构结构较复杂的技术问题。该基于运动放大原理的运动执行机构包括多个并联的支链，缩短了运动链，减少了装配误差，提高了精度；且每个支链均包括相串联的桥式放大机构和杠杆放大机构，实现了多自由度运动的同时简化了结构，降低了加工难度和成本。微操作机器人采用上述执行机构后，同样简化了结构，降低了加工难度和成本，提高了控制精度。

Description

一种基于运动放大原理的运动执行机构及机器人

技术领域

本发明涉及机构学技术领域，尤其是涉及一种基于运动放大原理的运动执行机构及机器人。

背景技术

近年来，对微操作机器人机构的研究已成为机构学领域研究热点之一。微操作机器人系统具有宏主体、微对象的特征，广泛应用于生物医学领域中的细胞与基因操作、精细外科技术、微电子装配、微细加工、光纤对接等领域。微操作机器人系统的核心是微操作机构。

本申请人发现现有技术至少存在以下技术问题：

市面上现有的实现高精度运动的非柔性的多自由度运动机构(刚性机构)存在结构复杂、零件众多和成本较高的问题。而柔性机构相较于传统的刚性机构，具有可以整体化设计和加工、无间隙和摩擦、无磨损、无需润滑和可增大结构刚度等优点，但现有柔性机构同样也存在结构复杂和成本高的问题。如图1所示的一种柔性机构，采用桥式放大实现五自由度运动，结构也较为复杂，加工难度较高。一种六自由机构，上方3-RPS并联机构三支联并联实现2旋转1直线运动，同时还需要与底部3-RRR并联机构串联以实现其他三自由度的运动；串联是运动链的延长，会存在装配误差等情况，降低了运动精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于运动放大原理的运动执行机构及机器人，至少解决现有技术中存在的多自由度运动机构结构较复杂的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供的一种基于运动放大原理的运动执行机构，包括多个并联的支链，且每个所述支链均包括：

桥式放大机构，用于实现平移运动；

杠杆放大机构，用于实现旋转运动，且所述杠杆放大机构与所述桥式放大机构相串联。

可选地，所述支链的数量为三个，三个所述支链相关联，且相互之间呈120°夹角。

可选地，每个所述支链均包括第一杆、第二杆、第三杆、第四杆、第五杆和第六杆，所述第一杆、第二杆、第三杆和第四杆通过柔性铰链相连构成了所述桥式放大机构；所述第四杆、第五杆和第六杆相连构成了所述杠杆放大机构，且所述第四杆与所述第五杆固定连接，所述第四杆与所述第六杆通过柔性铰链相连。

可选地，所述第五杆与所述第六杆之间设置有压电陶瓷。

可选地，所述桥式放大机构的放大系数K1＝L1/L4，其中L1为所述第一杆的长度，L4为所述第四杆的长度。

可选地，所述杠杆放大机构的放大系数K2与L6/h呈正比，其中L6为所述第六杆的长度，h为所述第四杆与所述第六杆的柔性铰接点至所述压电陶瓷轴心的垂直距离。

可选地，所述桥式放大机构传动连接有驱动装置。

可选地，所述基于运动放大原理的运动执行机构还包括柔性解耦机构，所述杠杆放大机构、所述桥式放大机构以及所述柔性解耦机构相串联。

可选地，所述柔性解耦机构包括轴线相交的虎克铰。

本发明提供的一种机器人，包括操作平台和以上任一所述的基于运动放大原理的运动执行机构。

本发明提供的一种基于运动放大原理的运动执行机构，包括多个并联的支链，缩短了运动链，减少了装配误差，提高了精度；且每个支链均包括相串联的桥式放大机构和杠杆放大机构，实现了多自由度运动的同时简化了结构，降低了加工难度和成本。微操作机器人采用上述执行机构后，同样简化了结构，易于加工，提高了控制精度，降低了成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术一种五自由度柔性机构的结构图；

图2本发明具体实施方式提供的一种基于运动放大原理的2R3T运动执行机构的结构示意图；

图3是本发明具体实施方式提供的构成一种基于运动放大原理的运动执行机构的支链的结构示意图；

图4是支链的结构示意图，图中圈出了柔性铰链；

图5是平移运动以及旋转运动的示意；

图6是虎克铰的结构示意图，图中箭头示出了轴线。

图中1、支链；11、第一杆；12、第二杆；13、第三杆；14、第四杆；15、第五杆；16、第六杆；17、第七杆；2、音圈电机；3、音圈电机固定支架；4、压电陶瓷；5、虎克铰。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

实施例1：

本发明提供了一种基于运动放大原理的运动执行机构，包括多个并联的支链1，且每个支链1均包括：

桥式放大机构，用于实现平移运动；

杠杆放大机构，用于实现旋转运动，且杠杆放大机构与桥式放大机构相串联。

多个并联的支链1，缩短了运动链，减少了装配误差，提高了精度；且每个支链1均包括相串联的桥式放大机构和杠杆放大机构，实现了多自由度运动的同时简化了结构，降低了加工难度和成本。

具体地，支链1的数量为三个，三个支链1相关联，且相互之间呈120°夹角。该执行机构能够实现了两个自由度的旋转和三个自由度的移动。

作为可选地实施方式，每个支链1均包括第一杆11、第二杆12、第三杆13、第四杆14、第五杆15和第六杆16，第一杆11、第二杆12、第三杆13和第四杆14通过柔性铰链相连构成了桥式放大机构；第四杆14、第五杆15和第六杆16相连构成了杠杆放大机构，且第四杆14与第五杆15固定连接，第四杆14与第六杆16通过柔性铰链相连。参见图3。

作为可选地实施方式，第五杆15与第六杆16之间设置有压电陶瓷4。

也可以采用电机等其他驱动方式。

如图4所示，圈出处是柔性铰链。如图5所示，下方四个柔性铰链组成平行四边形结构，音圈电机2驱动后变形成为虚线所示平行四边形机构，整个支链1可以实现直线位移。上方一个柔性铰链绕铰接点处做旋转运动，三条支链1运动合成可以使操作平台做绕X轴和绕Y轴旋转的运动。一个平面内三条支链1呈120°夹角分别实现直线运动，那么可以分解为沿X轴和沿Y轴的直线运动。三条支链1上方的压电陶瓷4同时做相同幅度的伸长，那么操作平台可以直上直下做沿Z轴方向的直线运动。

作为可选地实施方式，桥式放大机构的放大系数K1＝L1/L4，其中L1为第一杆11的长度，L4为第四杆14的长度。即桥式放大机构的放大系数与第一杆11和第四杆14的长度有关。

作为可选地实施方式，杠杆放大机构的放大系数K2与L6/h呈正比，其中L6为第六杆16的长度，h为第四杆14与第六杆16的柔性铰接点至压电陶瓷4轴心的垂直距离。

作为可选地实施方式，桥式放大机构传动连接有驱动装置。具体地，该驱动装置为音圈电机2。

作为可选地实施方式，基于运动放大原理的运动执行机构还包括柔性解耦机构，杠杆放大机构、桥式放大机构以及柔性解耦机构相串联。增加柔性解耦机构后，减少了寄生误差，提高了运动控制精度。

作为可选地实施方式，柔性解耦机构包括轴线相交的虎克铰5，参见图6。

实施例2：

如图2所示，本发明提供了一种基于运动放大原理的2R3T运动执行机构。

该2R3T运动执行机构包括支链1、音圈电机2、音圈电机固定支架3、压电陶瓷4和操作平台。其中，音圈电机2以相互之间120°夹角通过M2螺钉固定在音圈电机固定支架3上；单个支链1下方与音圈电机2相连接，组成桥式放大机构，控制机构的面内运动；上方布置一个压电陶瓷4，构成杠杆放大机构，控制机构的面外运动；三条支链1呈相互之间夹角120°并联，通过M2螺钉固定于操作平台上；单个支链1底部与音圈电机固定支架3底部固定。根据运动学方程分配三个支链1上音圈电机2、压电陶瓷4的驱动力矩，得到操作机构的目的输出位姿。支链1是由电火花线切割(EDM)一体化加工成型，音圈电机固定支架3、操作平台由CNC加工成型，材料均为AL7075。

其中，支链1的结构图如图3-图6所示，第一杆11、第二杆12、第三杆13和第四杆14构成了一个桥式放大机构，四杆之间通过柔性铰链连接，音圈电机2输入的位移通过桥式放大机构传递到第六杆16上，控制操作平台的面内移动，放大系数与第一杆11和第四杆14的长度比例系数有关。第四杆14、第五杆15和第六杆16构成了一个杠杆放大机构，第四杆14与第五杆15刚性连接，第四杆14与第六杆16通过柔性铰链连接，压电陶瓷4输入的位移通过杠杆放大机构传递到第六杆16末端，控制操作平台的面外移动，放大系数与压电陶瓷4的位置和第六杆16的长度比例有关。第七杆17末端通过一个轴线相交的虎克铰5与操作平台相连，虎克铰5可以进行输出解耦，消除寄生运动，实现精确控制。

本发明实现运动平台三自由度移动和两自由度转动功能，并能通过解耦机构和冗余结构的设计保证精度控制，实现精密定位。本发明采用刚柔统一的构型思想实现运动执行机构设计。利用桥式放大机构实现两自由度平移运动，利用杠杆放大机构实现两自由度旋转和一自由度平移运动；利用柔性铰链的特性设计一个轴线相交的虎克铰5来实现解耦功能，减小了寄生运动；桥式放大机构、杠杆放大机构、虎克铰5串联，组成单个支链1；三个支链1并联即可以实现三个自由的移动和两自由度的转动。简化了运动机构结构，降低了加工难度，提高了运动控制系统的精度。

本发明中铰链机构可采用簧片型或缺口型。

本发明的驱动器可采用压电陶瓷4，亦可以对机构进行少量改动，采用音圈电机2等其他驱动方式。

实施例3：

本发明提供了一种微操作机器人，包括操作平台和以上任一的基于运动放大原理的运动执行机构。

微操作机器人采用基于运动放大原理的运动执行机构后，同样简化了结构，易于加工，提高了控制精度，降低了成本。

在发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，″多个″的含义是两个或两个以上；术语″上″、″下″、″左″、″右″、″内″、″外″、″前端″、″后端″、″头部″、″尾部″等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语″第一″、″第二″、″第三″等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语″安装″、″相连″、″连接″应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于运动放大原理的运动执行机构，其特征在于，包括多个并联的支链，且每个所述支链均包括：

桥式放大机构，用于实现平移运动；

杠杆放大机构，用于实现旋转运动，且所述杠杆放大机构与所述桥式放大机构相串联；

每个所述支链均包括第一杆、第二杆、第三杆、第四杆、第五杆和第六杆；

其中，所述第一杆和所述第四杆相平行设置，所述第一杆的第一端与所述第四杆的第一端分别与作为基座的所述第三杆柔性铰接，且所述第一杆与所述第四杆之间设置有第二杆，所述第二杆的两端分别与所述第一杆和所述第四杆柔性铰接；彼此之间通过柔性铰链相连的所述第一杆、第二杆、第三杆和第四杆构成了所述桥式放大机构；所述桥式放大机构传动连接有驱动装置，所述驱动装置的输出端连接于所述第一杆的第二端；所述驱动装置输入的位移能够通过所述第一杆并经所述第二杆传递至所述第四杆，实现所述桥式放大机构的平移摆动；

所述第四杆与所述第五杆固定连接，所述第四杆的第二端与所述第六杆的第一端通过柔性铰链相连；所述桥式放大机构的平移运动通过所述第四杆传递至所述第六杆，实现所述第六杆的平移运动；所述第五杆与所述第六杆之间设置有压电陶瓷，所述第四杆、第五杆和第六杆相连构成了所述杠杆放大机构；所述压电陶瓷输入的位移传递至所述第六杆，使所述第六杆沿其与所述第四杆的铰接点作旋转运动。

2.根据权利要求1所述的基于运动放大原理的运动执行机构，其特征在于，所述支链的数量为三个，三个所述支链相关联，且相互之间呈120º夹角。

3.根据权利要求1所述的基于运动放大原理的运动执行机构，其特征在于，所述桥式放大机构的放大系数K1=L1/L4，其中L1为所述第一杆的长度，L4为所述第四杆的长度。

4.根据权利要求1所述的基于运动放大原理的运动执行机构，其特征在于，所述杠杆放大机构的放大系数K2与L6/h呈正比，其中L6为所述第六杆的长度，h为所述第四杆与所述第六杆的柔性铰接点至所述压电陶瓷轴心的垂直距离。

5.根据权利要求1-4任一所述的基于运动放大原理的运动执行机构，其特征在于，还包括柔性解耦机构，所述杠杆放大机构、所述桥式放大机构以及所述柔性解耦机构相串联。

6.根据权利要求5所述的基于运动放大原理的运动执行机构，其特征在于，所述柔性解耦机构包括轴线相交的虎克铰。

7.一种机器人，其特征在于，包括操作平台和权利要求1-6任一所述的基于运动放大原理的运动执行机构。

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